Bài giảng Cơ sở kỹ thuật điện - Chương 1: Vật liệu bán dẫn

Chương 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN BỘ GIÁO DỤC VÀO ĐÀO TẠO ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bộ Môn Cơ Sở Kỹ Thuật Điện Giới thiệu 2 3Chất bán dẫn thuần (Semiconductor)  Cấu tạo từ nguyên tố hoá trị 4 Si: Silicon Ge: germanium  Không pha tạp chất  Không dẫn điện ở 0oK (-273oC)  Khi bị kích thích sẽ tạo ra: số điện tử n = số lỗ trống p 1.1. Phân loại 4Chất bán dẫn thuần (Semiconductor) Nồng độ hạt dẫn điện tử = Nồng độ lỗ trống n = p Khi bị kích thích (gia tăng nhiệt độ) Kích thích 1.1. Phân loại 5Chất bán dẫn thuần (Semiconductor) Khi bị kích thích (có điện trường ngoài đặt vào) K ích thích 1.1.3. Phân loại Chất bán dẫn loại N (Negative) 6 Chất bán dẫn pha tạp chất Kích thích to, ás P P P P Là chất BD thuần + ngtố hoá trị 5 (tạp chất) Khi có tác nhân kích thích: Tạp chất mất điện tử  ion dương Tạp chất  chất cho (donor) nN>>pN +4+4 +5 +4 +4+4+4 +4+4 Hạt tải thiểu số Hạt tải đa số 1.1. Phân loại 7Kích thích to, ás P P P P Gọi ND là nồng độ tạp chất hoá trị 5 được pha vào Khi có kích thích thì sẽ sinh ra: ND electron (electron thứ 5 của tạp chất) và n electron của liên kết cộng hoá trị) p lỗ trống của liên kết cộng hoá trị (n = p) Nếu nồng độ tạp chất rất nhiều thì ND >> n Vậy: nN= n + ND  ND >>p = pN 1.1. Phân loại Chất bán dẫn loại P (Positive) 8 Chất bán dẫn pha tạp chất Chất BD thuần + ngtố hoá trị 3 (tạp chất) Khi có tác nhân kích thích: Tạp chất nhận điện tử  ion âm Tạp chất  chất nhận (acceptor) pP>>nP Kích thích to, ás B B B B +4+4 +3 +4 +4+4+4 +4+4 Hạt tải thiểu số Hạt tải đa số 1.1. Phân loại 9Kích thích to, ás B B B B Gọi NA là nồng độ tạp chất hoá trị 3 được pha vào Khi có kích thích thì sẽ sinh ra: NA lỗ trống (lỗ trống ko có electron của tạp chất) và p lỗ trống của liên kết cộng hoá trị) n electron của liên kết cộng hoá trị (n = p) Nếu nồng độ tạp chất rất nhiều thì NA >> p Vậy: pP= p + NA  NA >>n = nP 1.1.Phân loại 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 10 :Ion dương :Ion âm :Electron (e-) :Lỗ trống (hole , h+) Vùng nghèo Chuyển động khuếch tán, chuyển động của hạt dẫn đa số khi có sự chênh lệch nồng độ Etx: điện trường tiếp xúc Ikt: chuyển động khuếch tán - + Depletion: Diffusion: h+ diffusione- diffusion - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Etx DEPLETION Ikt P N 1.2.1Khi chưa có điện trường ngoài 11 e- và h+ chuyển động khuếch tán  Sự tái hợp gần vùng tiếp giáp  vùng nghèo (rất ít hạt dẫn, chỉ có các ion cố định, không linh động, không có khả năng dẫn điện)  Dòng điện khuếch tán Ikt từ P sang N (dòng của hạt tải đa số)  Sự phân bố ion trong miền nghèo  vùng điện tích dương, âm phân biệt  điện trường tiếp xúc Etx từ N sang P  rào thế Vγ cản trở sự khuếch tán của hạt dẫn qua lại giữa 2 phiến bán dẫn h+ diffusione- diffusion -- -- - +++++ + + + ++ + ++ + + -- --- - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - Et x DEPLETION Ikt P N Lỗ trống bên P Điện tử bên N 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 1.2.1Khi chưa có điện trường ngoài 12 h+ diffusion e- diffusion - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Etx DEPLETION Ikt P N h+ drift e- drift Itr Drift: chuyển động trôi của hạt dẫn, sinh ra do có tác động của điện trường. Itr: dòng điện sinh ra do chuyển động trôi của hạt dẫn (dòng của hạt tải thiểu số). 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 1.2.1Khi chưa có điện trường ngoài 13 Điện trường Etx hút e- bên P về cực dương của điện trường hút h+ bên N về cực âm của điện trường  Dòng điện trôi Itr từ N sang P (dòng của hạt tải thiểu số) Khi chưa có điện trường ngoài đặt vào thì Itr = Ikt Tổng dòng điện qua tiếp giáp IPN = Ikt – Itr = 0 (Cân bằng động) h+ diffusion e- diffusion - - - - - ++ ++ + + + + + + + + + + + -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Etx DEPLETION Ikt P N h+ drift e- drift Itr Lỗ trống bên N Điện tử bên P 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 1.2.1Khi chưa có điện trường ngoài 14 1.2.2. Khi phân cực ngược (VN > VP) VD Etx VD cùng chiều Etx  điện trường trong miền nghèo tăng  rào thế tăng đạt giá trị Vγ + VD  miền nghèo mở rộng  Dòng Ikt   0  Dòng Itr  Is (dòng bão hoà ngược, dòng hạt tải thiểu số)  Dòng qua tiếp giáp IPN = Ikt – Itr = -Is 0 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 15 1.2.2. Khi phân cực ngược (VN > VP) 1.2.Chuyển tiếp P-N (pn Junction) 16 VD Etx VD ngược chiều Etx  điện trường trong miền nghèo giảm  rào thế giảm đạt giá trị Vγ - VD  miền nghèo thu hẹp. Khi VD đạt giá trị bằng Vγ  rào thế = 0  có dòng hạt tải đa số từ P sang N  Dòng qua tiếp giáp 1.2.3. Khi phân cực thuận (VN < VP) 17 1.2.3. Khi phân cực thuận (VN < VP) Đặc tuyến Volt-Ampere 18 Giá trị rào thế (Điện áp ngưỡng dẫn của tiếp giáp PN) Vγ= 0.3V (Ge) = 0.7V (Si) Kết luận 19 Tiếp giáp PN được phân cực với điện áp VD VD < Vγ: Tiếp giáp ko dẫn điện IPN = 0 VD > =Vγ: Tiếp giáp dẫn điện Tiếp giáp dẫn điện theo một chiều từ P sang N (Đặc tính van của tiếp giáp)          1T D V V SPN eII  1.2.4 Đánh thủng tiếp giáp 20 Đánh thủng là phá huỷ đặc tính van của tiếp giáp. Tiếp giáp dẫn điện hai chiều. Đánh thủng thác lũ: do các hạt thiểu số tăng tốc theo điện áp gây ion hóa các nguyên tử qua va chạm  dòng thác lũ Đánh thủng xuyên hầm: Khi mật độ tạp chất trong bán dẫn tăng  ETX lớn gây ra hiệu ứng xuyên hầm lôi kéo các e- trong vùng hóa trị của lớp P vượt qua Etx chảy sang lớp N Đánh thủng nhiệt: xảy ra do tích lũy nhiệt trong vùng tiếp xúc vượt quá giới hạn  hư hỏng vĩnh viễn tiếp xúc